計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)(溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn))

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目：溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　學(xué) 院：電力學(xué)院</p><p><b>　　系 別：自動(dòng)化</b></p>

2、<p><b>　　專 業(yè)：自動(dòng)化</b></p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　二〇一年一月十四日</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書

3、</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其廣泛的應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)的對(duì)象存在滯后，它對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)會(huì)推遲一些時(shí)間，對(duì)自動(dòng)控制產(chǎn)生不利的影響，因此對(duì)溫度準(zhǔn)確的測(cè)量和有效的控制是此類工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要指標(biāo)。溫度是一個(gè)重要的物理量，也是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要工藝參數(shù)之一，物體的許多性質(zhì)和特

4、性都與溫度有關(guān)，很多重要的過程只有在一定溫度范圍內(nèi)才能有效的進(jìn)行，因此，對(duì)溫度的精確測(cè)量和可靠控制，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中就具有很重要的意義。</p><p>　　本文闡述了過程控制系統(tǒng)的概念，介紹了一種溫度控制系統(tǒng)建模與控制，以電熱水壺為被控對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)的方法建立溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用了PID算法進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到了比較好的控制目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度控制；建模

5、；自動(dòng)控制；過程控制；PID</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In industrial production with extremely extensive application, temperature control system is a typical process control system.Tempera

6、ture control system has the larger inertia. It is the response signal to step off some of time.And it produces the adverse effect to the temperature measurement. The control system is the important industrial control ind

7、ex. Temperature is an important parameters in the process of industrial production. Also it is one of the main parameters of objects, many properti</p><p>　　This paper discusses the concept of process contro

8、l system and introduces a kind of temperature control system .The electric kettle is the controlled object, PID algorithm is used for system design,through experience method to get the model of temperature control system

9、 and we can get the controlied response well.</p><p>　　Keywords：Temperature control; Mathematical modeling; Automatic control;</p><p>　　Process control; PID</p><p><b>　　目錄<

10、/b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p>　　1.1 題目背景及應(yīng)用意義1</p><p>　　1.2 本文內(nèi)容及工作安排1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及被控對(duì)象分析（被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模）3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成3<

11、;/p><p>　　2.1 被控對(duì)象分析（被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模）5</p><p>　　第三章 控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究11</p><p>　　3.1 控制策略設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2 仿真研究15</p><p>　　第四章 控制策略實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　4.1 組態(tài)

12、環(huán)境下控制策略編程實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　4.2 力控軟件18</p><p>　　4.3 運(yùn)行結(jié)果分析20</p><p>　　第五章 總結(jié)22</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　第一章 概述 </b><

13、/p><p>　　1．1 題目背景及應(yīng)用意義</p><p>　　在近四十年的時(shí)間里，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個(gè)階段，尤其是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛躍發(fā)展，七十年代初誕生了一代新型的電子計(jì)算機(jī)——微型計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣泛；目前，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已滲透到各行各業(yè)，達(dá)到了前所未有的普及程度。一個(gè)由計(jì)算機(jī)技術(shù)為標(biāo)志，包括新材料、宇航、生物工程、

14、海洋工程等多種學(xué)科在內(nèi)的新技術(shù)革命正在興起。</p><p>　　伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)和溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè)，而且我們可以很容易地做到實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。</p><p>　　溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng)。對(duì)于不同場(chǎng)所、不

15、同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同，則采用的測(cè)溫元件、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對(duì)溫度的測(cè)控方法多種多樣。</p><p>　　不同的應(yīng)用部門對(duì)溫度控制系統(tǒng)品質(zhì)有不同的要求，并選用不同類型的調(diào)節(jié)器。如果精度要求不高，可采用兩位調(diào)節(jié)器，一般情況下多采用PID調(diào)節(jié)器。高精度溫度控制系統(tǒng)則常采用串級(jí)控制，串級(jí)控

16、制系統(tǒng)由主回路和副回路兩個(gè)回路構(gòu)成，具有控制精度高、抗干擾性好、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)偏差小等優(yōu)點(diǎn)，常用于干擾強(qiáng)且溫度要求精確的生產(chǎn)過程，如化工生產(chǎn)中反應(yīng)器的溫度控制。</p><p>　　1．2 本文內(nèi)容及工作安排</p><p><b>　　1．系統(tǒng)組成分析</b></p><p>　　認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)中用到的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用說明書，分析溫度控制系統(tǒng)的組成

17、、工作原理、特性參數(shù)。</p><p><b>　　2．控制方案制定</b></p><p>　　制定溫度控制系統(tǒng)的控制方案，包括采用何種控制策略控制、使用何種軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)、計(jì)劃達(dá)到何種控制效果。</p><p>　　3．溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模</p><p>　　建立電熱水壺的數(shù)學(xué)模型。</p><p&

18、gt;　　4．控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究</p><p>　　設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的控制策略，并在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真研究，得到較為滿意的結(jié)果。</p><p><b>　　5．控制策略實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　將設(shè)計(jì)的控制策略在組態(tài)軟件下實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制、過程動(dòng)畫組態(tài)等功能。</p>

19、<p>　　課程說明書分五章對(duì)本次課設(shè)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)闡述，第一章簡(jiǎn)略描述了本次課設(shè)內(nèi)容“溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”知識(shí)背景及應(yīng)用意義，并對(duì)本次課設(shè)的工作內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。第二章介紹了系統(tǒng)的基本組成以及被控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模過程。第三章主要闡述設(shè)計(jì)控制策略或控制算法的全過程，闡述設(shè)計(jì)控制策略或控制算法設(shè)計(jì)好后，在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真模型建立、從仿真結(jié)果分析控制策略的性能、仿真中反映的一些問題及解決措施等主要內(nèi)容

20、。第四章主要講述仿真驗(yàn)證后的控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實(shí)現(xiàn)過程，對(duì)控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)行實(shí)物控制的結(jié)果分析。第五章對(duì)課設(shè)全過程進(jìn)行總結(jié)和分析，進(jìn)行梳理和整合。</p><p>　　第二章 被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模</p><p><b>　　2．1 系統(tǒng)組成</b></p><p>　　溫度控制系統(tǒng)的組成部

21、件：電熱水壺----充當(dāng)被控對(duì)象；熱電偶----完成壺內(nèi)溫度測(cè)試；固態(tài)繼電器----通過計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)使其通斷，進(jìn)而使整個(gè)加熱系統(tǒng)工作或者停止；Pci8333板卡及計(jì)算機(jī)----整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分完成模數(shù)轉(zhuǎn)換及PID控制等。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖</p><p><b>　　1．電熱水壺</b></p&g

22、t;<p>　　額定電壓：220V，額定功率：1500W，工作頻率：50Hz，直徑：24CM，容量：5L。</p><p><b>　　2．熱電偶</b></p><p>　　熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)制成的一種測(cè)溫元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，使用方便，是應(yīng)用很廣泛的一種測(cè)溫元件。熱電偶由兩種不同成份的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接形成回路，直接測(cè)溫的一端叫工作端，另一端溫度

23、保持一定叫冷端，亦稱參考端，因?yàn)閮煞N不同金屬的自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)在兩種金屬的交界處，就會(huì)因電子密度不同而產(chǎn)生電子擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果在兩金屬接觸面兩側(cè)形成靜電場(chǎng)即接觸電勢(shì)差。這種接觸電勢(shì)差僅與兩金屬的材料和接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，和熱電極的長(zhǎng)度、直徑無關(guān)，溫度愈高，金屬中自由電子就越活躍，致使接觸處所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，接觸面電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)增高，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)將隨著測(cè)量端溫升增大。熱電偶產(chǎn)生的溫差電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體

24、的溫差電勢(shì)造成的。熱電偶原理圖如圖2-2所示。 </p><p>　　圖2-2 熱電偶原理圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用WRNK-191型號(hào)的熱電偶，分度號(hào)為K，其中各字母和數(shù)字分別代表：W代表溫度儀表，R代表熱電偶，N代表測(cè)溫元件材料，即鎳鉻-鎳硅，K代表鎧裝式，1代表安裝固定形式無固定裝置，9代表自由端帶補(bǔ)償導(dǎo)線，1代表工作端形式為絕緣式。在本設(shè)計(jì)中由于采用TC001溫度控制單元

25、作為變送器，因?yàn)闇囟瓤刂茊卧旧硪呀?jīng)集成了冷端補(bǔ)償器，所以無須再額外增加補(bǔ)償線路。 </p><p><b>　　3．固態(tài)繼電器</b></p><p>　　固態(tài)繼電器(Solid State Relays,縮寫SSR)是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實(shí)現(xiàn)控制回路與負(fù)載回路的電隔離及信號(hào)耦合，由固態(tài)器件實(shí)

26、現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動(dòng)部件。雖然固態(tài)繼電器型號(hào)規(guī)格很多，但它們的工作原理基本相似。主要由輸入電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出電路三部分組成。</p><p>　　4．中泰PCI-8333</p><p>　　PCI-8333 多功能模入模出接口卡適用于提供了PCI 總線插槽的PC系列微機(jī)，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前流行的 Windows 系列、高穩(wěn)定性的Unix等

27、多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡(jiǎn)單，使用時(shí)只需將接口卡插入機(jī)內(nèi)任何一個(gè)PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號(hào)電纜從機(jī)箱外部直接接入。</p><p>　　PCI-8333 多功能模入模出接口卡安裝使用方便，程序編制簡(jiǎn)單。其模入模出及I/O信號(hào)均由卡上的37芯D 型插頭與外部信號(hào)源及設(shè)備連接。對(duì)于模入部分，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇單端或雙端輸入方式。對(duì)于模出部分，用戶

28、可根據(jù)控制對(duì)象的需要選擇電壓或電流輸出方式以及不同的量程。本卡上的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換均為12位，同時(shí)還備有16路數(shù)字量輸入和16 路數(shù)字量輸出接口，三路16位字長(zhǎng)的計(jì)數(shù)/定時(shí)器，以及1Mhz 的基準(zhǔn)時(shí)鐘。本卡的A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式可以選用程序觸發(fā)、定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)、外同步觸發(fā)等方式，轉(zhuǎn)換狀態(tài)可以用程序查詢，也可以用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　2.2 被控對(duì)象分析（被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模）<

29、;/p><p>　　1．過程控制系統(tǒng)建模方法</p><p>　　在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在靜態(tài)條件下，描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要工作。</p><p>　　

30、建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有機(jī)理建模法和測(cè)試建模法。</p><p>　?。?）機(jī)理建模法：對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律分別列寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。例如：基爾霍夫定律、牛頓定律、熱力學(xué)定律等。</p><p>　　（2）測(cè)試建模法：人為的給系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，記錄其輸出響應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型區(qū)逼近。</p><p><b&

31、gt;　　2．系統(tǒng)機(jī)理建模</b></p><p>　　本系統(tǒng)的被控對(duì)象是電熱水壺，通過對(duì)其加熱過程中熱量這一物理量的變化和轉(zhuǎn)移過程，確定其模型。由熱力學(xué)第一定律得：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，——電熱水壺吸收的熱量；</p><p>　　——電熱水壺散發(fā)的熱量

32、；</p><p>　　——給電熱水壺加熱的總能量</p><p>　　根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，有下列關(guān)系：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></

33、p><p>　　式中，——水的比熱容；</p><p><b>　　——水的升溫；</b></p><p><b>　　——電源電壓；</b></p><p>　　k ——水壺散熱系數(shù)；</p><p>　　——流過電熱水壺電流；</p><p><

34、b>　　——總的導(dǎo)通時(shí)間</b></p><p>　　聯(lián)立（2-1）、（2-2）、（2-3）和（2-4）得：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　對(duì)（2-5）進(jìn)行拉氏變換，得：</p><p><b>　　（2-6）</b></p>&

35、lt;p><b>　　整理得傳遞函數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　假設(shè) ，</b></p><p><b>　　整理（2-7）得：</b></p><p><b>　?。?-8

36、）</b></p><p>　　考慮電熱水壺本身固有的延遲時(shí)間，得被控對(duì)象的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　3．系統(tǒng)測(cè)試建模</b></p><p>　　階躍響應(yīng)與脈沖響應(yīng)關(guān)系：</p><p><b&

37、gt;　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　y(t)為階躍響應(yīng)，g(t)為脈沖響應(yīng)。</p><p>　　首先將y(t)轉(zhuǎn)化為無量綱形式y(tǒng)﹡(t),即</p><p>　　y﹡(t)= （2-12

38、）</p><p>　　其中y(∞)是y(t)的穩(wěn)態(tài)值。此時(shí)有</p><p>　　K= （2-13）</p><p>　　其中，△u為階躍輸入的幅值。</p><p>　　y﹡(t)= （2-14）</p><p>　　為了確定T和 ，

39、選擇兩個(gè)時(shí)刻 和 和y﹡(t)的坐標(biāo)值，其中 </p><p>　　y﹡( )= （2-15）</p><p>　　y﹡( )= （2-16）</p><p>　　對(duì)上述兩式的兩端取自然對(duì)數(shù)，有</p><p><b>　?。?-17）</b></

40、p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　　聯(lián)立求解，可得</b></p><p>　　T= （2-19）</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　若選擇y﹡( )=0

41、.39， y﹡( )=0.63，則可得</p><p>　　T=2( ) （2-21）</p><p>　　=2 （2-22）</p><p>　　有上述兩式可以方便的求出時(shí)間常數(shù)T和 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為：</p><p>　　G(s)=

42、 （2-23）</p><p>　　其中， 是延遲時(shí)間為的純滯后環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　4．?dāng)?shù)據(jù)采集</b></p><p>　　首先，在組態(tài)軟件力控5.0中，產(chǎn)生PWM脈沖波形克服水溫?zé)釕T性。將系統(tǒng)接成開環(huán)，即不在計(jì)算機(jī)中設(shè)定穩(wěn)態(tài)溫度。當(dāng)溫度升高到87度時(shí)，斷開電源。從初始溫度一直到最后溫度回落

43、到初始值過程中每隔一度記錄一組數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)如表2-1所示：</p><p><b>　　表2-1</b></p><p><b>　　5．建立模型</b></p><p>　　在力控組態(tài)環(huán)境下設(shè)定一個(gè)周期性的脈沖信號(hào)使固態(tài)繼電器周期性通斷，給電水壺加熱。如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-

44、3 加入水壺的脈沖信號(hào)</p><p>　　跟據(jù)測(cè)試建模原理，再輸入端施加周期性時(shí)鐘脈沖激勵(lì)，得到矩形脈沖響應(yīng)曲線，再根據(jù)階躍輸入與脈沖輸入的關(guān)系，即線性疊加定理，畫出階躍響應(yīng)曲線，從而求出對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，階躍響應(yīng)曲線如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 階躍響應(yīng)曲線與脈沖響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖2-4和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：</p>

45、<p>　　y(∞)=95 y(0)=12</p><p>　　PWM脈沖波形的占空比為0.8，可以得到脈沖輸入△u ，即△u=0.1</p><p>　　可以得到 K= =830</p><p>　　首先將y(t)轉(zhuǎn)化為無量綱形式y(tǒng)﹡(t),即</p><p><b>　

46、　y﹡(t)= </b></p><p>　　若選擇y﹡( )=0.39， y﹡( )=0.63，則可得</p><p><b>　　則有</b></p><p>　　T=2( )=4010； =2 =35</p><p><b>　?。?-24）</b></p><

47、p><b>　?。?-25） </b></p><p><b>　?。?-26） </b></p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　計(jì)算階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，并畫出其曲線，如圖2-3所示，</p><p>　　求得數(shù)學(xué)模型：

48、 </p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　第三章 控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究</p><p>　　3.1 控制策略設(shè)計(jì)</p><p>　　前一章我們已經(jīng)對(duì)被控對(duì)象建立了數(shù)學(xué)模型，接下來則需對(duì)溫度對(duì)象進(jìn)行控制算法的設(shè)

49、計(jì)。在這里我們采用典型I型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)法。</p><p>　　1．調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)基本思路</p><p>　　作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡(jiǎn)化，突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分兩步：</p><p>　　第一步，先選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　第二步，在選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，以滿足動(dòng)

50、態(tài)性能指標(biāo)。</p><p>　　這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾——?jiǎng)討B(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中在進(jìn)一步滿足其他性能指標(biāo)。</p><p>　　在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，他的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已經(jīng)事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了。</p><p

51、><b>　　2. 典型系統(tǒng)</b></p><p>　　自動(dòng)控制理論已證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而III型和III型以上系統(tǒng)很難穩(wěn)定的。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系統(tǒng)。</p><p>　　作為典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為</p><p>　　它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，而圖3-2 表示的

52、它的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性。選擇它作為典型系統(tǒng)不僅是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段為-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，高頻段以-40dB/dec衰減，只要參數(shù)的選擇能夠保證足夠的中頻段寬度，系統(tǒng)就一定穩(wěn)定，且有足夠的穩(wěn)定余量。要做到這一點(diǎn)，應(yīng)該滿足：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b&

53、gt;</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　相角裕度為： （3-4）</p><p>　　圖3-1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-2 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性</p&

54、gt;<p>　　由于被控對(duì)象模型的形式為： （3-5）</p><p>　　與是可推得到： （3-6）</p><p><b>　　所以控制算法為：</b><

55、/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　具體推導(dǎo)從圖3-3中也可看到</p><p>　　圖3-3 控制算法推導(dǎo)過程</p><p>　　所以由上面推到可知： （3-8）</p><p&g

56、t;　　PID控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)中對(duì)比例參數(shù),積分時(shí)間常數(shù)以及微分時(shí)間常數(shù)這三個(gè)參數(shù)的調(diào)整。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：

57、 </p><p>　　一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。</p><p>　　二是工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID 控制器

58、參數(shù)的工程整定方法，按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。</p><p>　　下面對(duì)本設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，在測(cè)試建模中得到了被控對(duì)象的傳遞函數(shù)： </p><p>　　由于延遲時(shí)間相對(duì)于時(shí)間常數(shù)來說比較小，所以系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間可以忽略，故系統(tǒng)的的傳遞

59、函數(shù)可以簡(jiǎn)略為：</p><p>　　由于被控對(duì)象的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)十分靠近原點(diǎn)，使系統(tǒng)的阻尼增大，峰值時(shí)間滯后，超調(diào)量減小，由于極點(diǎn)過于小會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，所以我們決定將其極點(diǎn)要控制器中的零點(diǎn)將其抵消，我們期望的系統(tǒng)的相角裕度為50度左右，超調(diào)量控制在15%左右，調(diào)節(jié)時(shí)間定為300秒左右，根據(jù)自控知識(shí)我們算出控制器的傳遞函數(shù)，

60、 </p><p>　　最終的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖3-4所示，最終的系

61、統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-4 最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-5 最終的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　3.2 仿真研究</b></p><p>　　控制算法如上節(jié)設(shè)計(jì)所示，根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制算法在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立仿真模型。MATLAB是

62、矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。SIMULINK是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非

63、線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。SIMULINK可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。SIMULINK提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。所以我們采用這種方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真。</p><p>　　仿真模型建立的基本步驟如下：?jiǎn)?dòng)MATLAB， 在MATLAB的命令窗口中輸入S

64、IMULINK，即打開SIMULINK的模塊庫，再在模塊庫中選擇所需要的模塊，如信號(hào)源庫中的STEP模塊，傳遞函數(shù)模塊，示波器模塊等。根據(jù)上面所得到的數(shù)學(xué)模型按照要求把各個(gè)模塊組合起來，如圖3-6所示為建立好的仿真模型。其中Transport Delay模塊的延遲時(shí)間設(shè)置為35秒。圖3-7所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果。</p><p>　　圖3-6 所示為建立好的仿真模型</p><p>　　圖3

65、-7 所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果</p><p>　　根據(jù)以上的內(nèi)容得到模塊。在matlab中的simulink中建立仿真模型如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 在matlab中的simulink中建立仿真模型</p><p>　　從帶純滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字PID控制仿真曲線可以看出，其大大抑制了超調(diào)，達(dá)到了很好的控制效果。利用文中所提的溫度控制算法，系統(tǒng)的輸出經(jīng)

66、過短時(shí)的震蕩后趨于穩(wěn)定在設(shè)定溫度值，達(dá)到了溫度調(diào)節(jié)的目標(biāo)，而且通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)可使得溫度控制性能得到一定的改善。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)只能提供較常規(guī)的開關(guān)量溫度控制系統(tǒng)的基本性能，如能采用可調(diào)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。 </p><p>　　第四章 控制策略實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　4．1 組態(tài)簡(jiǎn)介</b></p>

67、;<p>　　在工業(yè)控制等領(lǐng)域中，特別是在集控室內(nèi)，經(jīng)?？梢钥吹诫娔X屏幕中各種各樣的動(dòng)態(tài)圖形界面，我們通過這些動(dòng)態(tài)界面，利用計(jì)算機(jī)來實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)變化，及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，使其能夠運(yùn)行在合理的范圍之內(nèi)。這大大簡(jiǎn)化了工作過程中的復(fù)雜性，也方便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。而這些內(nèi)容就需要依靠組態(tài)軟件的功能來予以實(shí)現(xiàn)。下面將就組態(tài)軟件的常規(guī)特點(diǎn)、功能、任務(wù)，以及本課題將要使用的力控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)來詳細(xì)闡述力控組態(tài)軟件在溫控系

68、統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用。</p><p>　　力控軟件包括：工程管理器、人機(jī)界面VIEW、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫DB、I／O驅(qū)動(dòng)程序、控制策略生成器以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件等。</p><p>　　在溫控系統(tǒng)中，組態(tài)軟件的主要任務(wù)包括：</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)界面，這里會(huì)包括各種圖案，比如控制對(duì)象、加熱裝置、熱電阻、開關(guān)等等，從而達(dá)到一個(gè)直觀的效果。</p>

69、<p>　?。?）利用組態(tài)軟件中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫定義溫控系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)變量，比如下載電壓的控制量、溫度采集值、以及各種在程序腳本中要應(yīng)用到的變量等等。這些數(shù)據(jù)參數(shù)將會(huì)通過組態(tài)軟件的FO接口和加熱裝置進(jìn)行連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　?。?）組態(tài)軟件還可以提供溫度、電壓采集所需要的模塊，模塊將控制對(duì)象的溫度參數(shù)采集，并通過I／O接口傳送到計(jì)算機(jī)中；對(duì)于下載電壓控制量來說，正好相反，是將手動(dòng)或

70、者自動(dòng)操作計(jì)算出來的控制量通過相應(yīng)模塊傳遞到被控對(duì)象，進(jìn)行有效地溫度控制。</p><p>　　（4）組態(tài)軟件還需要負(fù)責(zé)對(duì)控制器的參數(shù)整定，以便于提高溫度控制的效率。這就需要對(duì)組態(tài)軟件的控制算法進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際意義的控制效果。</p><p>　?。?）在監(jiān)控溫度變化的過程中，還需要時(shí)刻觀察實(shí)時(shí)溫控曲線、歷史曲線以及數(shù)據(jù)歷史報(bào)表。而力控組態(tài)軟件的一個(gè)重要任務(wù)就是通過建立一系列的

71、曲線圖來獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于了解控制過程、掌握控制規(guī)律。</p><p><b>　　4．2 力控軟件</b></p><p>　　在力控組志軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)的基本步驟：首先是建立數(shù)據(jù)庫點(diǎn)參數(shù)，對(duì)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接；其次建立窗口監(jiān)控面面，對(duì)監(jiān)控畫面里的各種圖元對(duì)象建立動(dòng)畫連接；然后編制腳本程序．進(jìn)行分析曲線、報(bào)警、報(bào)表制作便完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的組態(tài)開發(fā)過

72、程。系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)如圖：</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)上圖的設(shè)計(jì)原理，利用力控軟件開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建溫度控制平臺(tái)。首先打開力控軟件，新建一個(gè)應(yīng)用，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 新建應(yīng)用 </p><p>　　進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)后，新建一個(gè)窗口，構(gòu)建一個(gè)溫

73、控平臺(tái)實(shí)時(shí)溫度控制界面，如圖4-3。</p><p>　　圖4-3 溫控平臺(tái)實(shí)時(shí)溫度控制界面</p><p><b>　　然后定義I/O點(diǎn)：</b></p><p>　　圖4-4 定義I/O點(diǎn)</p><p>　　其中，定義I/O連接時(shí)，本實(shí)驗(yàn)用的是中泰的板卡，PCI-8333型號(hào)，地址選C400~C500之間，如下

74、圖：</p><p>　　圖4-5 定義I/O連接</p><p>　　設(shè)置好連接點(diǎn)后，可進(jìn)入控制策略生成器中，連接好輸入輸出，PID控制器等，為各個(gè)器件匹配好參數(shù)，效果如下圖：</p><p>　　圖4-6 生成控制策略</p><p>　　4．3 運(yùn)行結(jié)果分析</p><p>　　水壺在飛升曲線法以及多年來的實(shí)

75、驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到其數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　把這個(gè)數(shù)學(xué)模型代入建立的繼電反饋實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行參數(shù)配置。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到比較穩(wěn)定的狀態(tài)后加入少許冷水，以模擬外界干擾。由于加入干擾的時(shí)間和冷水量都有差異，所以擾動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)不一致，擾動(dòng)的幅值也不一致，得到的結(jié)果如圖4-7所示。</p><p>　　

76、圖4-7 加入擾動(dòng)后的響應(yīng)曲線</p><p>　　由控制效果曲線可以得出：曲線(1)超調(diào)很小，遇到干擾后也能迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，但是穩(wěn)態(tài)值略低于設(shè)定值，體現(xiàn)了跟蹤過程IAE值最小的目標(biāo)。曲線(2)超調(diào)相對(duì)大些，遇到干擾后能更快地回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)曲線的斜率比曲線(1)的高，就是說恢復(fù)速度比曲線(1)快，體現(xiàn)了抗干擾過程IAE值最小的目標(biāo)。曲線(3)超調(diào)過大，遇到干擾后沒有能迅速回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值和設(shè)定值的偏差

77、達(dá)到10％以上。</p><p>　　第五章 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)</p><p>　　在這次為期兩周的課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多理論，很多方法，也讓我懂得了很多的道理，這次的課程設(shè)計(jì)將對(duì)我以后的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們?cè)谶@學(xué)期學(xué)到的微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的理論知識(shí)的一個(gè)綜合測(cè)評(píng)，是對(duì)我們將理論結(jié)合時(shí)間的綜合能力的考查，是培

78、養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識(shí)的途徑。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中我遇到了許多難以解決的問題，通過去圖書館看書、上網(wǎng)查資料以及請(qǐng)教同學(xué)，努力最終一步一步得以解決。通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅鍛煉了我的動(dòng)手能力，更培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，鞏固了我以前學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，促進(jìn)了我的自學(xué)能力。</p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，不僅讓我對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)建模、微機(jī)控制中

79、PID控制策略、系統(tǒng)模型的仿真和組態(tài)環(huán)境下控制策略實(shí)現(xiàn)的基本概念、基本方法有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)；還讓我認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)算法的控制的重要作用，一個(gè)細(xì)小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致最后的性能指標(biāo)不和標(biāo)準(zhǔn)；更重要的是，讓我認(rèn)識(shí)到無論做任何事都離不開理論與實(shí)際的結(jié)合，只有將理論與實(shí)踐相結(jié)合，才是做好事情的最科學(xué)的方法。</p><p>　　最后，感謝這次課程設(shè)計(jì)中的劉磊老師、李志明老師及各位同

80、學(xué)，正是在老師的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的耐心幫助下，我們才能將此次任務(wù)順利完成。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王中禮，段慧達(dá)，高玉峰. MATLAB應(yīng)用技術(shù)——在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[2] 謝劍英，賈青．微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（第三版）[M